豆類根瘤發(fā)育中的信號物質(zhì)研究-PPT課件

1、1,豆科根瘤分子細(xì)胞生物學(xué)（一）（豆科根瘤發(fā)育中的信號物質(zhì)研究進(jìn)展）,焦成瑾 2007. 12. 06,2,光合作用與生物固氮是自然給予人類的兩大貢獻(xiàn)，它 們分別提供了植物生長的碳源和氮源，從而提供了人 類社會發(fā)展的最基礎(chǔ)的物質(zhì)條件，是農(nóng)業(yè)生物學(xué)最基 礎(chǔ)的研究課題。 生物固氮是指由固氮微生物將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨的過程。 1995年聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）粗略估計，全球每年 由生物固定的氮量近 2106 t，約占全球植物需氮量 的3/4。,3,1 無機(jī)態(tài)氮，即銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-）。 2 有機(jī)態(tài)氮，如尿素等。 這些氮素的來源？,植物所能利用的氮素,4,1 生物固氮（占90） 2 工業(yè)固

2、氮（生產(chǎn)氮素化肥） 3 高能固氮（閃電）,大氣中的氮?dú)饪赏ㄟ^下面途徑被“固定”,5,自 然 界 氮 素 循 環(huán),工業(yè)固氮,高能固氮,生物固氮,有機(jī)氮合成及轉(zhuǎn)化,氨化作用,硝化作用,反硝化作用,O2不足,硝化細(xì)菌,反硝化細(xì)菌,亞硝酸鹽,6,生物體有機(jī)酸,NO3-,NH4+,NO2-,NO,N2O,大氣 N2,同化作用,氨化作用,硝化作用,硝化作用,反硝化作用,生物固氮,同化作用,還原作用,氮循環(huán),7,生 物 固 氮（固氮微生物）,1 共生固氮 如根瘤菌與豆科植物； 2 聯(lián)合固氮 如放線菌與非豆科植物。 3 自生固氮 如圓褐固氮菌（好氧）； 梭菌（厭氧）。,8,共 生 固 氮,自然界有豆科植物19

3、700種，其中已知可以 結(jié)瘤固氮的有2800種，占15，而對其共生 固氮體系進(jìn)行過研究的只占0.5。,9,豆類植物根瘤形成的主要過程,一 豆類植物根分泌黃酮類物質(zhì) 二 根瘤菌分泌結(jié)瘤因子 三 豆類植物與根瘤菌的相互識別 四 豆類植物對根瘤菌的反應(yīng) 五 根瘤發(fā)育 六 根瘤成熟并開始固氮,10,豆類植物根瘤形成的主要過程圖解,侵入線,11,一 豆類植物根分泌黃酮類物質(zhì),1 促進(jìn)根瘤菌生長 2 對根瘤菌的趨化作用 3 對根瘤菌結(jié)瘤基因的誘導(dǎo) 4 在根瘤發(fā)育與固氮中的作用 5 環(huán)境因素對黃酮類物質(zhì)分泌的影響,12,常見豆類誘導(dǎo)結(jié)瘤的黃酮類物質(zhì),13,二 根瘤菌分泌結(jié)瘤因子,1 結(jié)瘤因子的結(jié)構(gòu) 2 結(jié)瘤

4、因子的合成 3 結(jié)瘤因子的功能,14,1 結(jié) 瘤 因 子 的 結(jié) 構(gòu),根瘤菌分泌的脂酰幾丁質(zhì)寡聚糖（LCO)（即脂酰基-N-乙酰葡糖胺寡聚物）。,NodC（聚乙酰氨基葡糖合成酶）,NodF、E（酰基載體蛋白、 酮脂酰合成酶）,NodB（脫乙酰酶）,NodL（乙酰轉(zhuǎn)移酶）,NodM（葡萄糖胺合成酶）,NodH(磺基轉(zhuǎn)移酶） NodP(硫酸化酶） NodQ( APS激酶）,還原端,非還原端,15,2 結(jié)瘤因子的合成及結(jié)瘤基因,結(jié)瘤因子由黃酮類物質(zhì)誘導(dǎo)根瘤菌的結(jié)瘤基因 表達(dá)而最終合成。 1）共同結(jié)瘤基因 2）結(jié)瘤調(diào)節(jié)基因 3）宿主專一性基因 4）其它結(jié)瘤基因,16,1）共同結(jié)瘤基因,nodA、B、C

5、 是根瘤菌中最保守的基因，即在不同的根瘤菌中同源性很 高，功能上可以在不同根瘤菌之間相互交換而不改變其宿 主范圍，一種根瘤菌的基因突變可以被其它根瘤菌的相應(yīng) 基因所互補(bǔ)。 nodABC 在基因組內(nèi)是緊密連在一起的，位于同一操縱子的3個閱讀框架 中，轉(zhuǎn)錄方向一致。 nodA ?；D(zhuǎn)移酶，將長鏈脂肪酯連接到聚乙酰氨基葡糖分子非還原端。 nodB 脫乙酰酶，催化聚乙酰氨基葡糖分子非還原端脫乙酰基反應(yīng)。 nodC 表達(dá)的蛋白NodC位于膜上，與聚乙酰氨基葡糖合成酶高度同源， 在N 乙酰葡萄糖胺之間形成-1,4糖苷鍵所必需。,17,2）結(jié) 瘤 調(diào) 節(jié) 基 因,nodD是結(jié)瘤正調(diào)節(jié)基因，在根瘤菌中普遍存在

6、，它的表達(dá)是組成型的， 其蛋白在根際與特定的黃酮類物質(zhì)結(jié)合后可以激活nodABC及其它一系 列結(jié)瘤基因的表達(dá)。 在nodABC的上游區(qū)，有一段高度保守的序列，稱為結(jié)瘤盒（nod-box）, 大約25-50bp，不同根瘤菌此序列長短不一，是一段調(diào)節(jié)序列，為結(jié)瘤基 因轉(zhuǎn)錄激活所必需， nodD的產(chǎn)物NodD蛋白的N末端就結(jié)合在一這位 置，而其C末端與特異的黃酮類化合物結(jié)合。 nodD在不同的根瘤菌中拷貝數(shù)不同，在多數(shù)根瘤菌中只有一個，但有些 為3，甚至5個。 由于NodD蛋白與特定的黃酮類物質(zhì)結(jié)合后，才能激活相應(yīng)的結(jié)瘤基因， 所以nodD在一定程度上決定根瘤菌的宿主專一性。,18,3）宿主專一性基

7、因,不同的根瘤菌此類基因不同，基因種類也不完全一樣，它們 中大部分在根瘤種內(nèi)功能是保守的，可以互補(bǔ)，種間功能不 能互補(bǔ)。其功能是影響根瘤的結(jié)瘤速率一數(shù)量，更主要的是 影響宿主專一性，它們的突變，會引起宿主專一性的喪失或 擴(kuò)大宿主范圍。如nodE、F、G、H、P、Q、M、N、L、I 等。 它們中有些與結(jié)瘤因子側(cè)鏈的化學(xué)修飾有關(guān)，有些其功能目 前仍不確定。,19,4）其 它 結(jié) 瘤 基 因,根瘤菌在侵染宿主根毛細(xì)胞時，必須能被根毛細(xì)胞所識別， 因此有許多基因決定其細(xì)胞表面組分的合成，它們包括合成 根瘤菌胞外多糖的exo基因，脂多糖的lps基因，合成莢膜多 糖、K抗原和-1, 2-葡聚糖的ndv基因

8、。 上述基因的突變將不同程度擾亂根瘤菌的侵染過程。,20,3 結(jié)瘤因子的功能,參見：豆類植物對根瘤菌的反應(yīng) 結(jié)瘤因子除了能引起宿主根毛細(xì)胞產(chǎn)生反應(yīng) 外，還能對非豆類植物產(chǎn)生多方面的生理效 應(yīng)。,21,三 豆類植物與根瘤菌的相互識別,1 宿主根毛細(xì)胞表面多糖與根瘤菌表面多糖之間相互識別 2 宿主根毛細(xì)胞膜上結(jié)瘤因子的受體與結(jié)瘤因子的結(jié)合,22,相互識別,1 植物凝集素（phytohaemoglutinins,即lectins)：很可能與這 一識別有關(guān)。由于凝集素是多價的，它可以介導(dǎo)宿主根毛表 面與根瘤菌細(xì)胞表面的結(jié)合。存在于根瘤菌表面的植物凝集 素受體是一種脂多糖（可能是莢膜中的一種成分），稱為

9、O 抗原。 2 結(jié)瘤因子受體：最近人們發(fā)現(xiàn)了NFR5、NFR1和NORK三種結(jié)瘤因子受體，它們均屬激酶類受體，前兩者主要在結(jié)瘤早期起作用，而第三可引發(fā)結(jié)瘤因子信號的級聯(lián)放大。,23,四 豆類植物對根瘤菌的反應(yīng),1 根毛變形 2 根毛質(zhì)膜去極化 3 根毛細(xì)胞中Ca2+的振蕩 4 根毛細(xì)胞中H+濃度的變化 5 根毛細(xì)胞中肌動蛋白纖絲的重組 6 根毛中根瘤菌侵染線的形成及延伸 7 根皮層細(xì)胞的重新分裂形成瘤狀組織 8 根毛細(xì)胞中結(jié)瘤素基因的表達(dá),24,6 根毛中根瘤菌侵染線的形成及延伸（一）,根毛末端細(xì)胞壁在根瘤菌的影響下內(nèi)陷，根瘤菌隨之進(jìn)入，后被局限在侵染線內(nèi)。侵 染線是宿主細(xì)胞分泌的纖維素物質(zhì)包

10、圍根瘤菌所形成的一種管狀結(jié)構(gòu)，管壁與根細(xì)胞 壁類似，通常在侵入發(fā)生幾小時后就出現(xiàn)。 侵染線的形成與延伸可視為是一種侵染與防御排斥相平衡的結(jié)構(gòu)。在一些不平衡的例 子中，可以看到或者是根瘤菌自由地在根毛細(xì)胞內(nèi)泳動，或者是在根瘤菌開始繁殖之 前侵染線就被宿主細(xì)胞沉積的細(xì)胞壁物質(zhì)所阻斷。 侵染線形成后，隨著根瘤菌的分裂，不斷向根毛基部延伸，到達(dá)根毛細(xì)胞基部的細(xì)胞 壁時，在根瘤菌分泌的果膠酶的作用下，侵染線壁與細(xì)胞壁連接起來，穿過表皮細(xì)胞 向根內(nèi)推進(jìn)。當(dāng)侵染線抵達(dá)皮層的36層細(xì)胞時，處在前方靠近內(nèi)皮層的細(xì)胞被刺激 開始分裂，分化成根瘤分生組織。隨著根瘤分生組織的不斷分裂，根瘤不斷長大，在 根的表面出現(xiàn)突

11、起。不斷增大的根瘤其細(xì)胞分化為外層同時侵染線會在皮層細(xì)胞內(nèi)分 支，這樣更多的皮層細(xì)胞被侵染。在侵染線生長過程中，根瘤菌不斷產(chǎn)生生長素。 侵染線內(nèi)的根瘤菌多呈短桿狀，成單行或數(shù)行排列。并被自己分泌的粘多糖包圍，侵 染線停止生長后 ，侵染線的壁為宿主皮層細(xì)胞分泌的纖維素酶所溶解，根瘤菌則被釋 放進(jìn)入宿主細(xì)胞中，116個細(xì)菌共同包在外膜中，這時根瘤菌脫去外壁分化為類菌 體，才開始固氮。而宿主細(xì)胞喪失分生能力，由鄰近皮 層細(xì)胞分裂形成分生組織。,25,6 根毛中根瘤菌侵染線的形成及延伸（二）,對于無限根瘤來說，侵染線中釋放出根瘤菌后，這些細(xì)胞中的根瘤菌分 化成類菌體形態(tài)并開始固氮。鄰近的分生組織不斷分

12、裂，瘤組織變大， 逐漸穿過皮層向外長出；侵染線隨之也折轉(zhuǎn)方向由內(nèi)向外延伸，侵染新 生成的瘤組織細(xì)胞。這一過程一直進(jìn)行到根瘤從根上長出相當(dāng)長時間后 才停止。時間長短隨種類不同而異。 有限型根瘤，根瘤的分生組織通常是短命的，瘤內(nèi)被感染細(xì)胞的老幼差 別不顯著，根瘤壽命一般短于無限型根瘤。,26,五 根瘤發(fā)育,根瘤的發(fā)育起始于主根靠根毛附近的皮層細(xì)胞分裂，而這一過程的觸發(fā)最 終源于宿主細(xì)胞對結(jié)瘤因子等信號物質(zhì)的感知，然而根瘤本身是一個完整 的器官，如無限型根瘤（豌豆根瘤）主要結(jié)構(gòu)有： 根瘤表皮和皮層； 分生組織（有限型無分生組織，如大豆根瘤） ； 感染區(qū)（包括早期共生區(qū)、成熟區(qū)和衰敗區(qū)）； 維管束； 細(xì)胞間隙； 因此，根瘤的發(fā)育除了受結(jié)瘤因子的作用外，必然涉及多種植物激素的共 同調(diào)節(jié)。,27,植 物 激 素 對 根 瘤 發(fā) 育 的 影 響,1 生長素：對根瘤的發(fā)育有雙重調(diào)節(jié)作用。根瘤發(fā)育起始， 根中生長素的含量很低，有利于根瘤原基的形成，而之后其 含量會升高這樣可以抑制其它根瘤原基的形成。 2 細(xì)胞分裂素：已經(jīng)檢測到豌豆幼齡根瘤和發(fā)育中的根瘤含 有較高的細(xì)胞分裂素，而成熟的根瘤中其含量很低。人們推 測這種含量的差異可能是結(jié)瘤因子影響的結(jié)果。 3 乙烯和脫落酸均可抑制根瘤的形成，從而可以控制根瘤的 數(shù)量。 4 赤霉素可以促進(jìn)結(jié)瘤。,28,六 根